De Digital Circuits
This document was uploaded by user and they confirmed that they have the permission to share it. If you are author or own the copyright of this book, please report to us by using this DMCA report form. Report DMCA
Overview
Download & View De Digital Circuits as PDF for free.
More details
- Words: 3,051
- Pages: 63
• • • •
Các mạch số Nguyễn Quốc Cường – 3i
Nội dung Tín hiệu và cổng logic Họ logic CMOS Họ logic TTL Giao tiếp TTL/CMOS
Digital Circuits
2
Tài liệu tham khảo • Digital Design: Principles & Practices – John F Wakerly – Printice Hall
Digital Circuits
Tín hiệu logic • Giá trị logic: “0” và “1” • Thường sử dụng “LOW” và “HIGH” thay cho “0” và “1”: – LOW: ứng với dải ñiện áp thấp – HIGH: ứng với dải ñiện áp cao
• Logic dương: – LOW gán cho “0” – HIGH gán cho “1”
• Logic âm: – LOW gán cho “1” – HIGH gán cho “0” Digital Circuits
3
4
• Các mạch logic có thể ñược mô tả như các hộp ñen
Digital Circuits
Mạch logic ñược mô tả thông quan bảng chân lý Digital Circuits
5
6
Các cổng
Digital Circuits
Biểu ñồ thời gian (timing diagram)
Digital Circuits
7
8
• Timing diagram: biểu diễn sự phụ thuộc của output vào input theo thời gian: – Tín hiệu logic thay ñổi từ 0 ñến 1 không thực hiện một cách tức thời
Digital Circuits
Các họ logic • CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) • TTL (Transistor-Transistor Logic)
Digital Circuits
9
10
CMOS Logic
12
11
• MOS logic ñược phát minh trước TTL, tuy nhiên việc chế tạo lại gặp khó khăn • Từ 1980s khi công nghệ bán dẫn phát triển, các ICs dựa trên công nghệ CMOS dần ñược sử dụng rộng rãi thay thế TTL: – Công suất tiêu thụ thấp – Mật ñộ tích hợp cao
Digital Circuits
Mức logic CMOS ðiện áp cung cấp cho ICs CMOS có thể thay ñổi
Với ñiện áp cung cấp 5V, mức logic:
Digital Circuits
MOS transistor
Digital Circuits
• Có 2 loại: n-MOS và p-MOS
• n-MOS: – ðiện áp ngưỡng VT > 0 – Khi VGS < VT dòng ñiện ID nhỏ ñiện trở Rds lớn (> 106) – Khi VGS > VT dòng ñiện ID tăng Rds giảm (cỡ 10 ohms) – Dòng IG nhỏ (cỡ 10-6A) (leakage current)
• p-MOS: ñiện áp ngưỡng âm
Digital Circuits
13
14
Mạch ñảo cơ bản - CMOS
Digital Circuits
16
15
• n-MOS và p-MOS kết hợp tại thành một cặp CMOS
Digital Circuits
Digital Circuits
18
17
• Cách ký hiệu khác của n-MOS và p-MOS trong các mạch logic
Digital Circuits
Digital Circuits
20
19
CMOS NAND
Digital Circuits
Digital Circuits
22
21
CMOS NOR
Digital Circuits
Digital Circuits
CMOS AND
Digital Circuits
AND = NAND kết hợp NOT phức tạp hơn NAND
23
24
buffer
Digital Circuits
CMOS AND – OR – INVERT gate
Digital Circuits
25
26
Digital Circuits
CMOS OR-AND-INVERT gate
Digital Circuits
27
28
• • • • • • • • •
Digital Circuits
Một số thông số của ICs CMOS Mức ñiện áp logic (Logic voltage levels) ðộ dư nhiễu DC (DC noise margin) Fanout Tốc ñộ Công suất tiêu thụ Nhiễu Sự phóng tĩnh ñiện ðầu ra hở cực máng (open-drain output) ðầu ra ba trạng thái (three-states output) Digital Circuits
29
30
Mức logic
Thường các datasheet không ñưa dạng ñồ thị như trên Digital Circuits
• Thường sử dụng các thông số
Digital Circuits
31
32
• Nói chung mức ñiện áp phụ thuộc vào nguồn cung cấp cho ICs CMOS. • Thường thì:
Digital Circuits
Dòng ñiện input
33
34
ðối với họ CMOS, dòng ñiện vào chính là dòng dò của cực gate rất nhỏ Nếu ñầu ra của ICs CMOS nối vào ñầu vào của ICs CMOS khác thì mức logic hầu như không thay ñổi (do dòng vào của CMOS nhỏ)
Digital Circuits
Hoạt ñộng với tải ñiện trở • Trong một số trường hợp, ñiện trở tải ảnh hưởng ñến múc logic tại ñầu ra khi: – Một output phải nối với rất nhiều input CMOS – Một output nối với các thiết bị có trở kháng vào nhỏ – ....
xem xét hiệu ứng DC load: VOUT at LOW < VOLmax VỌUT at HIGH > VOHmin
Digital Circuits
Digital Circuits
Mô hình tải là một nguồn tín hiệu và một nội trở
35
36
ouput LOW
Digital Circuits
output HIGH
Digital Circuits
37
38
Dòng output
40
39
• Thực tế nhà sản xuất không ñưa ra các mô hình tương ñương ñiện trở của các thiết bị không thể áp dụng tính giá trị ñiện áp tại ñầu ra • Tuy nhiên, thường nhà sản xuất ñưa ra thông số sau:
Digital Circuits
Một output của thiết bị ñược coi là sink dòng (sinking current) nếu dòng ñiện từ nguồn qua tải và qua output của thiết bị rồi tới GND Dòng sink thường quy ước có giá trị dương Một output của thiết bị ñược coi là source dòng (sourcing current) nếu dòng ñiện từ nguồn qua qua output của thiết bị qua tải rồi tới GND. Dòng source quy ước có giá trị âm Digital Circuits
Công suất • Với cấu trúc CMOS tại output: luôn có một transistor “on” và một “off”
42
41
– Khi không có tải sẽ không có dòng ñiện công suất bằng không – Khi có tải dòng ñiện sẽ qua transistor “on” và qua tải
Digital Circuits
Fanout • Fanout của một gate logic là số input mà nó có thể ñiều khiển mà không sai lệch tín hiệu logic • Fanout phụ thuộc không chỉ vào ñặc tính của output mà còn phụ thuộc vào tín hiệu input ñiều khiển nó • Cần xem xét Fanout cả hai trường hợp: – Output : LOW – Output : HIGH
Digital Circuits
• • • •
• •
44
43
LOW-state fanout = IOLmax / IILmax HIGH-state fanout = IOHmax / IIHmax Nói chung hai hệ số fanout không nhất thiết bằng nhau. Trong thiết kế thường sử dụng hệ số overall fanout = min{LOW-state fanout, HIGH-state fanout} Hệ số fanout tính như trên ñược coi là DC fanout: tính toán khi trạng thái output ñã ổn ñịnh Khi tín hiệu output biến ñổi nhanh cần xem xét hệ số AC fanout (tác ñộng của tải ñiện dung) Digital Circuits
Các input không sử dụng • Cổng có (n+1 ) input, nhưng ứng dụng yêu cầu chỉ sử dụng n input dư 1 input • Các cách sử lý các input không sử dụng
Digital Circuits
46
45
• Thực tế khi cần làm việc tốc ñộ cao thường sử dụng cách (b) và (c) hơn là sử dụng cách (a) vì: – Cách (a) sẽ làm tăng tải ñiện dung ñối với nguồn tín hiệu
• Không bao giờ ñể hở input khi sử dụng ICs CMOS
Digital Circuits
Một số ñặc tính ñộng của CMOS • Thời gian chuyển trạng thái (Transition time) • Trễ lan truyền (Propagation delay) • Công suất tiêu thụ ñộng (dynamic power dissipation)
Digital Circuits
Thời gian chuyển trạng thái
Digital Circuits
• Transition time: là thời gian ñể output chuyển từ một trạng thái qua một trạng thái khác: – rise time (t_r): thời gian chuyển LOW HIGH – fall time (t_f) : thời gian chuyển từ HIGH LOW
• Transition time phụ thuộc: – ðiện trở “on” của các transistor – Tải ñiện dung (capacitive load) hay tải AC (AC load)
• Tải AC do: – Tụ ñiện ký sinh của mạch output của gate , thường cỡ 2-10 pF – Tụ ñiện do dây dẫn nỗi output với các input trong mạch (phụ thuộc công nghệ mạch in), thường cỡ 1pF cho 1 inch – Tụ ñiện của mạch input, cỡ 2 ñến 15 pF Digital Circuits
47
48
Digital Circuits
Nhắc lại Rp và Rn mô tả cho ñiện trở của p-MOS và n-MOS
• Hiệu ứng DC ít tác ñộng ñến transition time bỏ qua coi RL = 1 và VL = 0 • Xem xét ví dụ: – CL = 100pF – Rp “on” = 200 Ω – Rn “on” = 100 Ω
Digital Circuits
49
50
Digital Circuits
hằng số RC là 10ns
Xem xét mạch output chuyển từ HIGH LOW: • Giả thiết các n-MOS và p-MOS chuyển trạng thái một cách ñồng thời
• t = 0 VOUT = 5V • t = ∞ VOUT = 0V • Hàm ñiện áp
CL = 100pF Rp “on” = 200 Ω Rn “on” = 100 Ω
Digital Circuits
51
52
Digital Circuits
54
53
• fall time: khoảng thời gian VOUT từ 3.5V 1.5V
fall time cỡ 8.5 ns
Digital Circuits
Digital Circuits
56
55
• Thay ñổi ñiện áp của VOUT khi output chuyển từ LOW HIGH
Digital Circuits
• rise time bằng khoảng thời gian VOUT từ 1.5V ñến 3.5V
tr = 17ns tr gấp 2 lần tf do ñiện trở “on” của p-MOS lớn gấp 2 lần n-MOS
Digital Circuits
• Trong các datasheet: – tr có thể ký hiệu tTLH : Transition LOWHIGH – tf có thể ký hiệu tTHL : Transition HIGH LOW
Digital Circuits
57
58
Trễ lan truyền (Propagation Delay) • Trễ lan truyền: là khoảng thời gian ñể thời gian từ khi input thay ñổi cho ñến khi output thay ñổi
Digital Circuits
• Thường thì tpLH và tpHL ñược ño tại ñiểm giữa như chỉ ra trên hình vẽ
Digital Circuits
59
60
• Nhắc lại:
Công suất tiêu thụ
62
61
– Công suất tiêu thụ khi output của mạch không thay ñổi ñược gọi là tiêu tán công suất tĩnh (static power dissipation) – Công suất tiêu thụ khi output chuyển trạng thái ñược gọi là sự tiêu tán công suất ñộng (dynamic power dissipation)
• ICs CMOS: – Tiêu tán công suất tĩnh là nhỏ – Tiêu tán công suất ñộng lớn
Digital Circuits
Tiêu tán công suất bên trong mạch • Trong thời gian chuyển trạng thái cả n-MOS và p-MOS ñều dẫn tạo ra ñiện trở cỡ 600 Ω hoặc nhỏ hơn từ VDD ñến GND công suất tổn hao lớn. • Tiêu tán công suất trong mạch phụ thuộc: – Giá trị nguồn cung cấp – Tần số chuyển trạng thái của output
Digital Circuits
Digital Circuits
63
64
• Lưu ý: transition frequency trong công thức trên sẽ bằng số transition trong một giây chia 2 • Thường nhà sản xuất yêu cầu tín hiệu input phải thay ñổi ñủ nhanh trong một khoảng phạm vi cho phép ñể công suất tiêu tán nhỏ
Digital Circuits
Tiên tán công suất do tải ñiện dung • Với tải ñiện dung CL: – Khi output LOWHIGH: dòng ñiện nạp từ VCC qua Rp “on” tới CL: • khi t ∞ Vtrên tụ = VCC, ñiện tích nạp là VCC · CL
– Khi output HIGHLOW: dòng xả từ CL qua Rn “on”: • khi t ∞ Vtrên tụ = 0, ñiện tích xả là VCC · CL
66
65
– Công suất tiêu tốn trên 2 ñiện trở R_n và R_p do tải ñiện dung C_L với tần số tín hiệu là f (trong 1 giây sẽ có 2f lần chuyển trạng thái):
Digital Circuits
• Tổn hao công suất ñộng
Digital Circuits
•
ðầu ra ba trạng thái Thường output có 2 trạng thái – LOW ứng với logic 0 – HIGH ứng với logic 1
• Tuy nhiên có mạch output có 3 trạng thái (three-state output hay tri-state output): – LOW – HIGH – High impedance, Hi-Z hay floating state
• Các output ở trạng thái Hi-Z có thể nối với nhau mà không làm ảnh hưởng ñến hoạt ñộng chung
68
67
– Tuy nhiên vẫn tồn tại một dòng dò chảy vào hoặc ra khỏi output (dòng rất nhỏ cỡ 0.1µA ñến 1 µA) Digital Circuits
Một gate có output 3 trạng thái thì có thêm một input ñặc biệt EN (Enable): -EN tích cực output có thể có trạng thái LOW hoặc HIGH -EN không tích cực output ở trạng thái Hi-Z
Digital Circuits
ðầu ra hở cực máng (open-drain output)
p-MOS không ñược sử dụng như một active pull-up resistor cực D của n-MOS ñể hở
Digital Circuits
• Khi sử dụng cần nối một pull-up resistor bên ngoài
Digital Circuits
ðiện trở pull-up ngoài có giá trị sao cho dòng sink chảy vào output trong mức LOW nhỏ hơn giá trị cho phép IOLmax
69
70
• Sử dụng open-drain: – ðiều khiển LED và thiết bị ngoại vi – Nối dây logic (wired logic) – Hệ bus nhiều nguồn (multisource bus)
Digital Circuits
ðiều khiển LED
Digital Circuits
71
72
Multisource bus
74
73
• EN = 0 thông tin không ñược ñưa lên bus • EN = 1 thông tin tương ứng ñược ñưa lên bus Digital Circuits
Wired logic
Nối các open-drain cho phép thực hiện chức năng AND Digital Circuits
• 4000:
Các dòng CMOS – là loại CMOS ñầu tiên (50ns, 0.1mW), mức ñiện áp là không tương thích với TTL
• 74Cxx: CMOS – loại CMOS có ñặc tính gần với loại 4000, nhưng có chức năng và sơ ñồ chân vi mạch tương ứng vói TTL
• 74HCxx: High-Speed CMOS – là loại 74C có tốc ñộ cao
• 74 HCTxx: High-Speed CMOS, TTL compatible – hoàn toàn tương thích với TTL
• 74 VHCxx: Very-High Speed CMOS • 74 VHCTxx: Very-High Speed CMOS, TTL compatible Digital Circuits
bảng sau sẽ ñưa ra một số ñặc tính ñiện của IC : 74xx00 (NAND) và 74xx138( giả mã 3-8)
Digital Circuits
75
76
Digital Circuits
• Total power dissipation
• Speed-Power Product:
Digital Circuits
77
78
Digital Circuits
Digital Circuits
80
79
Digital Circuits
Digital Circuits
82
81
Digital Circuits
Digital Circuits
84
83
Mạch logic lưỡng cực • Dựa trên công nghệ bipolar: – Diode – Transistor lưỡng cực – Schottky transistor
Digital Circuits
Diode
Digital Circuits
85
86
ðặc tính
Digital Circuits
Mô hình
Digital Circuits
87
88
Digital Circuits
90
89
Mạch logic sử dụng diode
Digital Circuits
Digital Circuits
92
91
Bipolar junction transistor
Digital Circuits
Digital Circuits
94
93
transistor logic
Digital Circuits
Digital Circuits
Schottky transistor • storage time:
95
96
– Khi BJT ñang ở trạng thái “ON” (saturation) muốn chuyển qua trạng thái “OFF” (cut-off) cần một khoảng thời gian lớn – ðể giảm storage time cần tránh cho BJT ở trạng thái saturation
Digital Circuits
off on
Digital Circuits
Digital Circuits
on off
97
98
Digital Circuits
100
99
Schottky diode khác với diode thường là ñiện áp rơi trên diode cỡ 0.25V (thay vì 0.6V) Khi BJT “ON”: VBE = 0.6V VBC = 0.25V VCE = 0.35V > VCEsat = 0.2V
Digital Circuits
Digital Circuits
ðiện áp của collector không về 0 do diode clammping Digital Circuits
101
thời gian onoff giảm 102
103
Mạch logic sử dụng Schottky transistor
Digital Circuits
Transistor-Transistor logic
104
• Mạch logic thông dụng hiện nay dựa trên công nghệ bipolar là TTL (Transistor-Transistor logic) • Có nhiều họ TTL: – TTL standard – LS-TTL (Low-power Schottky TTL)
Digital Circuits
Digital Circuits
• D1X và D1Y và R1: tạo ra mạch AND • D2X và D2Y : bảo vệ mạch khi input có ñiện thế âm (bình thường không hoạt ñộng) • phase splitter: tạo bởi Q2 và các ñiện trở – Khi VA = LOW Q2 = “OFF” – Khi VA = HIGH Q2 = “ON”
• output stage: tạo bởi Q4 và Q5: – Tại một thời ñiểm ổn ñịnh chỉ một trong 2 transistor làm việc – Q4 = “ON” Z = HIGH – Q5 = “ON” Z = LOW
• R5: hạn chế dòng khi tại thời ñiểm chuyển trạng thái cả Q4 và Q5 ñều “ON” • Tác dụng của Q3 và Q6: – Q3: mắc Darlington với Q4 tăng hệ số khuếch ñại dòng – Q6: thay ñiện trở pull-dow làm cho Q5 “ON” và “OFF” nhanh hơn Digital Circuits
105
106
Digital Circuits
Digital Circuits
108
107
Digital Circuits
Mức logic và ñộ dư chống nhiễu
Digital Circuits
109
110
Fanout
Digital Circuits
Các input không sử dụng • Xử lý giống như ñối với CMOS • Mặc dù nếu input không ñược nối với TTL sẽ ñược hiểu là input = HIGH. Tuy nhiên có thể bị ảnh hưởng của nhiễu
Digital Circuits
111
112
Digital Circuits
Digital Circuits
114
113
Open-collector
Digital Circuits
Mạch 3 trạng thái • Tương tự như mạch CMOS 3 trạng thái:
115
116
– Thêm tín hiệu ñiều khiển 3 trạng thái EN – 2 transistor BJT tại output sẽ ñều ở trạng thái “OFF” khi EN không tích cực
Digital Circuits
Các họ TTL • 74-xx: họ TTL chuẩn, hiện nay ít sử dụng • 74Sxx: Schottky TTL – Tốc ñộ cao hơn 74xx TTL chuẩn nhưng công suất tiêu thụ lớn hơn.
• 74LSxx: Low-power Schottky TTL – Tốc ñộ như 74xx TTL chuẩn nhưng công suất nhỏ hơn cỡ 1/5
• 74ASxx: Advanced Schottky TTL – Tốc ñộ gấp 2 lần 74S nhưng công suất tiêu thụ tương ñương
• 74ALSxx: Advanced Low-power Schottky TTL – Tốc ñộ cao hơn 74LS và công suất nhỏ hơn
• 74Fxx: Fast TTL
Digital Circuits
118
117
– ðặc tính nằm giữa AS và ALS
Digital Circuits
Digital Circuits
120
119
data sheet
Digital Circuits
Digital Circuits
Digital Circuits
122
121
Giao tiếp TTL/CMOS • Nếu hệ thống thiết kế cùng họ IC không có vần ñề gì, quan tâm chủ yếu là – fanout – tải ñiện dung
124
123
• Nếu hệ thống có nhiều họ IC logic: Xem xét tính tương thích:
Digital Circuits
mức logic
Digital Circuits
– mc logic output và input – fanout – tải ñiện dung
Nếu thiết bị output A ñiều khiển thiết input B: VOHminA >VIHminB VOLmaxA < VILmaxB
• phải ñảm bảo: – IOHmax > Σ IIHmax – IOLmax > Σ IIHmax
fanout
Digital Circuits
tải ñiện dung • Khi tải ñiện dung tăng sẽ làm: – tăng công suất tổn hao – tăng thời gian trễ
Digital Circuits
125
126
Các mạch số Nguyễn Quốc Cường – 3i
Nội dung Tín hiệu và cổng logic Họ logic CMOS Họ logic TTL Giao tiếp TTL/CMOS
Digital Circuits
2
Tài liệu tham khảo • Digital Design: Principles & Practices – John F Wakerly – Printice Hall
Digital Circuits
Tín hiệu logic • Giá trị logic: “0” và “1” • Thường sử dụng “LOW” và “HIGH” thay cho “0” và “1”: – LOW: ứng với dải ñiện áp thấp – HIGH: ứng với dải ñiện áp cao
• Logic dương: – LOW gán cho “0” – HIGH gán cho “1”
• Logic âm: – LOW gán cho “1” – HIGH gán cho “0” Digital Circuits
3
4
• Các mạch logic có thể ñược mô tả như các hộp ñen
Digital Circuits
Mạch logic ñược mô tả thông quan bảng chân lý Digital Circuits
5
6
Các cổng
Digital Circuits
Biểu ñồ thời gian (timing diagram)
Digital Circuits
7
8
• Timing diagram: biểu diễn sự phụ thuộc của output vào input theo thời gian: – Tín hiệu logic thay ñổi từ 0 ñến 1 không thực hiện một cách tức thời
Digital Circuits
Các họ logic • CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) • TTL (Transistor-Transistor Logic)
Digital Circuits
9
10
CMOS Logic
12
11
• MOS logic ñược phát minh trước TTL, tuy nhiên việc chế tạo lại gặp khó khăn • Từ 1980s khi công nghệ bán dẫn phát triển, các ICs dựa trên công nghệ CMOS dần ñược sử dụng rộng rãi thay thế TTL: – Công suất tiêu thụ thấp – Mật ñộ tích hợp cao
Digital Circuits
Mức logic CMOS ðiện áp cung cấp cho ICs CMOS có thể thay ñổi
Với ñiện áp cung cấp 5V, mức logic:
Digital Circuits
MOS transistor
Digital Circuits
• Có 2 loại: n-MOS và p-MOS
• n-MOS: – ðiện áp ngưỡng VT > 0 – Khi VGS < VT dòng ñiện ID nhỏ ñiện trở Rds lớn (> 106) – Khi VGS > VT dòng ñiện ID tăng Rds giảm (cỡ 10 ohms) – Dòng IG nhỏ (cỡ 10-6A) (leakage current)
• p-MOS: ñiện áp ngưỡng âm
Digital Circuits
13
14
Mạch ñảo cơ bản - CMOS
Digital Circuits
16
15
• n-MOS và p-MOS kết hợp tại thành một cặp CMOS
Digital Circuits
Digital Circuits
18
17
• Cách ký hiệu khác của n-MOS và p-MOS trong các mạch logic
Digital Circuits
Digital Circuits
20
19
CMOS NAND
Digital Circuits
Digital Circuits
22
21
CMOS NOR
Digital Circuits
Digital Circuits
CMOS AND
Digital Circuits
AND = NAND kết hợp NOT phức tạp hơn NAND
23
24
buffer
Digital Circuits
CMOS AND – OR – INVERT gate
Digital Circuits
25
26
Digital Circuits
CMOS OR-AND-INVERT gate
Digital Circuits
27
28
• • • • • • • • •
Digital Circuits
Một số thông số của ICs CMOS Mức ñiện áp logic (Logic voltage levels) ðộ dư nhiễu DC (DC noise margin) Fanout Tốc ñộ Công suất tiêu thụ Nhiễu Sự phóng tĩnh ñiện ðầu ra hở cực máng (open-drain output) ðầu ra ba trạng thái (three-states output) Digital Circuits
29
30
Mức logic
Thường các datasheet không ñưa dạng ñồ thị như trên Digital Circuits
• Thường sử dụng các thông số
Digital Circuits
31
32
• Nói chung mức ñiện áp phụ thuộc vào nguồn cung cấp cho ICs CMOS. • Thường thì:
Digital Circuits
Dòng ñiện input
33
34
ðối với họ CMOS, dòng ñiện vào chính là dòng dò của cực gate rất nhỏ Nếu ñầu ra của ICs CMOS nối vào ñầu vào của ICs CMOS khác thì mức logic hầu như không thay ñổi (do dòng vào của CMOS nhỏ)
Digital Circuits
Hoạt ñộng với tải ñiện trở • Trong một số trường hợp, ñiện trở tải ảnh hưởng ñến múc logic tại ñầu ra khi: – Một output phải nối với rất nhiều input CMOS – Một output nối với các thiết bị có trở kháng vào nhỏ – ....
xem xét hiệu ứng DC load: VOUT at LOW < VOLmax VỌUT at HIGH > VOHmin
Digital Circuits
Digital Circuits
Mô hình tải là một nguồn tín hiệu và một nội trở
35
36
ouput LOW
Digital Circuits
output HIGH
Digital Circuits
37
38
Dòng output
40
39
• Thực tế nhà sản xuất không ñưa ra các mô hình tương ñương ñiện trở của các thiết bị không thể áp dụng tính giá trị ñiện áp tại ñầu ra • Tuy nhiên, thường nhà sản xuất ñưa ra thông số sau:
Digital Circuits
Một output của thiết bị ñược coi là sink dòng (sinking current) nếu dòng ñiện từ nguồn qua tải và qua output của thiết bị rồi tới GND Dòng sink thường quy ước có giá trị dương Một output của thiết bị ñược coi là source dòng (sourcing current) nếu dòng ñiện từ nguồn qua qua output của thiết bị qua tải rồi tới GND. Dòng source quy ước có giá trị âm Digital Circuits
Công suất • Với cấu trúc CMOS tại output: luôn có một transistor “on” và một “off”
42
41
– Khi không có tải sẽ không có dòng ñiện công suất bằng không – Khi có tải dòng ñiện sẽ qua transistor “on” và qua tải
Digital Circuits
Fanout • Fanout của một gate logic là số input mà nó có thể ñiều khiển mà không sai lệch tín hiệu logic • Fanout phụ thuộc không chỉ vào ñặc tính của output mà còn phụ thuộc vào tín hiệu input ñiều khiển nó • Cần xem xét Fanout cả hai trường hợp: – Output : LOW – Output : HIGH
Digital Circuits
• • • •
• •
44
43
LOW-state fanout = IOLmax / IILmax HIGH-state fanout = IOHmax / IIHmax Nói chung hai hệ số fanout không nhất thiết bằng nhau. Trong thiết kế thường sử dụng hệ số overall fanout = min{LOW-state fanout, HIGH-state fanout} Hệ số fanout tính như trên ñược coi là DC fanout: tính toán khi trạng thái output ñã ổn ñịnh Khi tín hiệu output biến ñổi nhanh cần xem xét hệ số AC fanout (tác ñộng của tải ñiện dung) Digital Circuits
Các input không sử dụng • Cổng có (n+1 ) input, nhưng ứng dụng yêu cầu chỉ sử dụng n input dư 1 input • Các cách sử lý các input không sử dụng
Digital Circuits
46
45
• Thực tế khi cần làm việc tốc ñộ cao thường sử dụng cách (b) và (c) hơn là sử dụng cách (a) vì: – Cách (a) sẽ làm tăng tải ñiện dung ñối với nguồn tín hiệu
• Không bao giờ ñể hở input khi sử dụng ICs CMOS
Digital Circuits
Một số ñặc tính ñộng của CMOS • Thời gian chuyển trạng thái (Transition time) • Trễ lan truyền (Propagation delay) • Công suất tiêu thụ ñộng (dynamic power dissipation)
Digital Circuits
Thời gian chuyển trạng thái
Digital Circuits
• Transition time: là thời gian ñể output chuyển từ một trạng thái qua một trạng thái khác: – rise time (t_r): thời gian chuyển LOW HIGH – fall time (t_f) : thời gian chuyển từ HIGH LOW
• Transition time phụ thuộc: – ðiện trở “on” của các transistor – Tải ñiện dung (capacitive load) hay tải AC (AC load)
• Tải AC do: – Tụ ñiện ký sinh của mạch output của gate , thường cỡ 2-10 pF – Tụ ñiện do dây dẫn nỗi output với các input trong mạch (phụ thuộc công nghệ mạch in), thường cỡ 1pF cho 1 inch – Tụ ñiện của mạch input, cỡ 2 ñến 15 pF Digital Circuits
47
48
Digital Circuits
Nhắc lại Rp và Rn mô tả cho ñiện trở của p-MOS và n-MOS
• Hiệu ứng DC ít tác ñộng ñến transition time bỏ qua coi RL = 1 và VL = 0 • Xem xét ví dụ: – CL = 100pF – Rp “on” = 200 Ω – Rn “on” = 100 Ω
Digital Circuits
49
50
Digital Circuits
hằng số RC là 10ns
Xem xét mạch output chuyển từ HIGH LOW: • Giả thiết các n-MOS và p-MOS chuyển trạng thái một cách ñồng thời
• t = 0 VOUT = 5V • t = ∞ VOUT = 0V • Hàm ñiện áp
CL = 100pF Rp “on” = 200 Ω Rn “on” = 100 Ω
Digital Circuits
51
52
Digital Circuits
54
53
• fall time: khoảng thời gian VOUT từ 3.5V 1.5V
fall time cỡ 8.5 ns
Digital Circuits
Digital Circuits
56
55
• Thay ñổi ñiện áp của VOUT khi output chuyển từ LOW HIGH
Digital Circuits
• rise time bằng khoảng thời gian VOUT từ 1.5V ñến 3.5V
tr = 17ns tr gấp 2 lần tf do ñiện trở “on” của p-MOS lớn gấp 2 lần n-MOS
Digital Circuits
• Trong các datasheet: – tr có thể ký hiệu tTLH : Transition LOWHIGH – tf có thể ký hiệu tTHL : Transition HIGH LOW
Digital Circuits
57
58
Trễ lan truyền (Propagation Delay) • Trễ lan truyền: là khoảng thời gian ñể thời gian từ khi input thay ñổi cho ñến khi output thay ñổi
Digital Circuits
• Thường thì tpLH và tpHL ñược ño tại ñiểm giữa như chỉ ra trên hình vẽ
Digital Circuits
59
60
• Nhắc lại:
Công suất tiêu thụ
62
61
– Công suất tiêu thụ khi output của mạch không thay ñổi ñược gọi là tiêu tán công suất tĩnh (static power dissipation) – Công suất tiêu thụ khi output chuyển trạng thái ñược gọi là sự tiêu tán công suất ñộng (dynamic power dissipation)
• ICs CMOS: – Tiêu tán công suất tĩnh là nhỏ – Tiêu tán công suất ñộng lớn
Digital Circuits
Tiêu tán công suất bên trong mạch • Trong thời gian chuyển trạng thái cả n-MOS và p-MOS ñều dẫn tạo ra ñiện trở cỡ 600 Ω hoặc nhỏ hơn từ VDD ñến GND công suất tổn hao lớn. • Tiêu tán công suất trong mạch phụ thuộc: – Giá trị nguồn cung cấp – Tần số chuyển trạng thái của output
Digital Circuits
Digital Circuits
63
64
• Lưu ý: transition frequency trong công thức trên sẽ bằng số transition trong một giây chia 2 • Thường nhà sản xuất yêu cầu tín hiệu input phải thay ñổi ñủ nhanh trong một khoảng phạm vi cho phép ñể công suất tiêu tán nhỏ
Digital Circuits
Tiên tán công suất do tải ñiện dung • Với tải ñiện dung CL: – Khi output LOWHIGH: dòng ñiện nạp từ VCC qua Rp “on” tới CL: • khi t ∞ Vtrên tụ = VCC, ñiện tích nạp là VCC · CL
– Khi output HIGHLOW: dòng xả từ CL qua Rn “on”: • khi t ∞ Vtrên tụ = 0, ñiện tích xả là VCC · CL
66
65
– Công suất tiêu tốn trên 2 ñiện trở R_n và R_p do tải ñiện dung C_L với tần số tín hiệu là f (trong 1 giây sẽ có 2f lần chuyển trạng thái):
Digital Circuits
• Tổn hao công suất ñộng
Digital Circuits
•
ðầu ra ba trạng thái Thường output có 2 trạng thái – LOW ứng với logic 0 – HIGH ứng với logic 1
• Tuy nhiên có mạch output có 3 trạng thái (three-state output hay tri-state output): – LOW – HIGH – High impedance, Hi-Z hay floating state
• Các output ở trạng thái Hi-Z có thể nối với nhau mà không làm ảnh hưởng ñến hoạt ñộng chung
68
67
– Tuy nhiên vẫn tồn tại một dòng dò chảy vào hoặc ra khỏi output (dòng rất nhỏ cỡ 0.1µA ñến 1 µA) Digital Circuits
Một gate có output 3 trạng thái thì có thêm một input ñặc biệt EN (Enable): -EN tích cực output có thể có trạng thái LOW hoặc HIGH -EN không tích cực output ở trạng thái Hi-Z
Digital Circuits
ðầu ra hở cực máng (open-drain output)
p-MOS không ñược sử dụng như một active pull-up resistor cực D của n-MOS ñể hở
Digital Circuits
• Khi sử dụng cần nối một pull-up resistor bên ngoài
Digital Circuits
ðiện trở pull-up ngoài có giá trị sao cho dòng sink chảy vào output trong mức LOW nhỏ hơn giá trị cho phép IOLmax
69
70
• Sử dụng open-drain: – ðiều khiển LED và thiết bị ngoại vi – Nối dây logic (wired logic) – Hệ bus nhiều nguồn (multisource bus)
Digital Circuits
ðiều khiển LED
Digital Circuits
71
72
Multisource bus
74
73
• EN = 0 thông tin không ñược ñưa lên bus • EN = 1 thông tin tương ứng ñược ñưa lên bus Digital Circuits
Wired logic
Nối các open-drain cho phép thực hiện chức năng AND Digital Circuits
• 4000:
Các dòng CMOS – là loại CMOS ñầu tiên (50ns, 0.1mW), mức ñiện áp là không tương thích với TTL
• 74Cxx: CMOS – loại CMOS có ñặc tính gần với loại 4000, nhưng có chức năng và sơ ñồ chân vi mạch tương ứng vói TTL
• 74HCxx: High-Speed CMOS – là loại 74C có tốc ñộ cao
• 74 HCTxx: High-Speed CMOS, TTL compatible – hoàn toàn tương thích với TTL
• 74 VHCxx: Very-High Speed CMOS • 74 VHCTxx: Very-High Speed CMOS, TTL compatible Digital Circuits
bảng sau sẽ ñưa ra một số ñặc tính ñiện của IC : 74xx00 (NAND) và 74xx138( giả mã 3-8)
Digital Circuits
75
76
Digital Circuits
• Total power dissipation
• Speed-Power Product:
Digital Circuits
77
78
Digital Circuits
Digital Circuits
80
79
Digital Circuits
Digital Circuits
82
81
Digital Circuits
Digital Circuits
84
83
Mạch logic lưỡng cực • Dựa trên công nghệ bipolar: – Diode – Transistor lưỡng cực – Schottky transistor
Digital Circuits
Diode
Digital Circuits
85
86
ðặc tính
Digital Circuits
Mô hình
Digital Circuits
87
88
Digital Circuits
90
89
Mạch logic sử dụng diode
Digital Circuits
Digital Circuits
92
91
Bipolar junction transistor
Digital Circuits
Digital Circuits
94
93
transistor logic
Digital Circuits
Digital Circuits
Schottky transistor • storage time:
95
96
– Khi BJT ñang ở trạng thái “ON” (saturation) muốn chuyển qua trạng thái “OFF” (cut-off) cần một khoảng thời gian lớn – ðể giảm storage time cần tránh cho BJT ở trạng thái saturation
Digital Circuits
off on
Digital Circuits
Digital Circuits
on off
97
98
Digital Circuits
100
99
Schottky diode khác với diode thường là ñiện áp rơi trên diode cỡ 0.25V (thay vì 0.6V) Khi BJT “ON”: VBE = 0.6V VBC = 0.25V VCE = 0.35V > VCEsat = 0.2V
Digital Circuits
Digital Circuits
ðiện áp của collector không về 0 do diode clammping Digital Circuits
101
thời gian onoff giảm 102
103
Mạch logic sử dụng Schottky transistor
Digital Circuits
Transistor-Transistor logic
104
• Mạch logic thông dụng hiện nay dựa trên công nghệ bipolar là TTL (Transistor-Transistor logic) • Có nhiều họ TTL: – TTL standard – LS-TTL (Low-power Schottky TTL)
Digital Circuits
Digital Circuits
• D1X và D1Y và R1: tạo ra mạch AND • D2X và D2Y : bảo vệ mạch khi input có ñiện thế âm (bình thường không hoạt ñộng) • phase splitter: tạo bởi Q2 và các ñiện trở – Khi VA = LOW Q2 = “OFF” – Khi VA = HIGH Q2 = “ON”
• output stage: tạo bởi Q4 và Q5: – Tại một thời ñiểm ổn ñịnh chỉ một trong 2 transistor làm việc – Q4 = “ON” Z = HIGH – Q5 = “ON” Z = LOW
• R5: hạn chế dòng khi tại thời ñiểm chuyển trạng thái cả Q4 và Q5 ñều “ON” • Tác dụng của Q3 và Q6: – Q3: mắc Darlington với Q4 tăng hệ số khuếch ñại dòng – Q6: thay ñiện trở pull-dow làm cho Q5 “ON” và “OFF” nhanh hơn Digital Circuits
105
106
Digital Circuits
Digital Circuits
108
107
Digital Circuits
Mức logic và ñộ dư chống nhiễu
Digital Circuits
109
110
Fanout
Digital Circuits
Các input không sử dụng • Xử lý giống như ñối với CMOS • Mặc dù nếu input không ñược nối với TTL sẽ ñược hiểu là input = HIGH. Tuy nhiên có thể bị ảnh hưởng của nhiễu
Digital Circuits
111
112
Digital Circuits
Digital Circuits
114
113
Open-collector
Digital Circuits
Mạch 3 trạng thái • Tương tự như mạch CMOS 3 trạng thái:
115
116
– Thêm tín hiệu ñiều khiển 3 trạng thái EN – 2 transistor BJT tại output sẽ ñều ở trạng thái “OFF” khi EN không tích cực
Digital Circuits
Các họ TTL • 74-xx: họ TTL chuẩn, hiện nay ít sử dụng • 74Sxx: Schottky TTL – Tốc ñộ cao hơn 74xx TTL chuẩn nhưng công suất tiêu thụ lớn hơn.
• 74LSxx: Low-power Schottky TTL – Tốc ñộ như 74xx TTL chuẩn nhưng công suất nhỏ hơn cỡ 1/5
• 74ASxx: Advanced Schottky TTL – Tốc ñộ gấp 2 lần 74S nhưng công suất tiêu thụ tương ñương
• 74ALSxx: Advanced Low-power Schottky TTL – Tốc ñộ cao hơn 74LS và công suất nhỏ hơn
• 74Fxx: Fast TTL
Digital Circuits
118
117
– ðặc tính nằm giữa AS và ALS
Digital Circuits
Digital Circuits
120
119
data sheet
Digital Circuits
Digital Circuits
Digital Circuits
122
121
Giao tiếp TTL/CMOS • Nếu hệ thống thiết kế cùng họ IC không có vần ñề gì, quan tâm chủ yếu là – fanout – tải ñiện dung
124
123
• Nếu hệ thống có nhiều họ IC logic: Xem xét tính tương thích:
Digital Circuits
mức logic
Digital Circuits
– mc logic output và input – fanout – tải ñiện dung
Nếu thiết bị output A ñiều khiển thiết input B: VOHminA >VIHminB VOLmaxA < VILmaxB
• phải ñảm bảo: – IOHmax > Σ IIHmax – IOLmax > Σ IIHmax
fanout
Digital Circuits
tải ñiện dung • Khi tải ñiện dung tăng sẽ làm: – tăng công suất tổn hao – tăng thời gian trễ
Digital Circuits
125
126
Related Documents
De Digital Circuits
April 2020 6
Digital Circuits
December 2019 17
Digital Counting Circuits 1
April 2020 7
Cmos Digital Circuits - Book
June 2020 7
Digital Counting Circuits 0
April 2020 7